水下電連接器性能鑒定試驗(yàn)研究

趙宏力(美鉆能源科技(上海)有限公司，上海 200941)

0 引言

據(jù)資料研究，中國(guó)南海70%的石油儲(chǔ)量在深水中，南海石油儲(chǔ)量占中國(guó)石油總量的1/3[1]。水下電連接器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“電連接器”)是油氣開(kāi)采設(shè)備的關(guān)鍵部件，廣泛應(yīng)用在水下采油樹(shù)SCM對(duì)接盤(pán)等設(shè)備上。國(guó)內(nèi)早有科研機(jī)構(gòu)及企業(yè)對(duì)電連接器進(jìn)行研制，但是目前幾乎沒(méi)有比較成熟可靠的產(chǎn)品。究其原因就是電連接器密封技術(shù)難度大，以及電連接器性能鑒定技術(shù)不成熟。目前電連接器市場(chǎng)被Cameron、FMC等國(guó)外公司所壟斷。研發(fā)中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的電連接器，對(duì)促進(jìn)國(guó)內(nèi)深水油氣開(kāi)采，提升中國(guó)深水采油氣技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力，保障深水油氣安全采油氣具有深遠(yuǎn)意義。電連接器性能試驗(yàn)測(cè)試是產(chǎn)品質(zhì)量保障和質(zhì)量控制體系中的重要環(huán)節(jié)。通過(guò)電連接器性能鑒定試驗(yàn)，可以驗(yàn)證電連接器機(jī)械插拔壽命、產(chǎn)品密封的可靠性、產(chǎn)品設(shè)計(jì)的合理性等。

目前國(guó)內(nèi)多家科研機(jī)構(gòu)及企業(yè)針對(duì)水下電連接器的研發(fā)已經(jīng)開(kāi)展多年[2-3]，但是電連接器性能鑒定試驗(yàn)技術(shù)研究較少，亟待深入研究。

1 水下電連接器簡(jiǎn)介

電連接器由插頭、插座組成。電連接器插頭和插座后端密封方式相同，都是采用O型密封圈及硅膠組合成的二級(jí)密封，前端密封略有不同，插頭前端采用傳統(tǒng)O型密封圈密封；插座前端則采用O型密封圈及絕緣油兩種方式實(shí)現(xiàn)二級(jí)密封。絕緣油除了密封作用外，還起著電連接器在深水中內(nèi)外壓力平衡的作用。

電連接器的關(guān)鍵核心技術(shù)是密封技術(shù)，電連接器密封狀態(tài)有兩種：(1)電連接器插頭和插座在未插合狀態(tài)下及已插合狀態(tài)下的靜態(tài)密封；(2)電連接器插頭和插座在插合過(guò)程中的動(dòng)態(tài)密封。二者比較而言，動(dòng)態(tài)密封是密封技術(shù)中的核心技術(shù)。

2 水下電連接器性能鑒定試驗(yàn)要求

2.1 外觀檢查(電極針)

外觀檢查要求：電連接器插頭電極針外表涂層光滑致密，涂層無(wú)氣泡、針孔、麻點(diǎn)、起皮或其他影響涂層質(zhì)量的缺陷。

外觀檢查方法：使用30倍放大鏡檢查。

2.2 摩擦壽命試驗(yàn)

摩擦壽命試驗(yàn)要求：電連接器插拔時(shí)，電連接器插頭穿過(guò)插座的橡膠密封件，要求在200次壽命要求期間，電連接器插頭涂層不得脫落及橡膠件密封處無(wú)磨損；電連接器插座預(yù)安裝時(shí)，模擬電連接器插拔狀態(tài)，電極插拔100次。試驗(yàn)后電連接器插頭電極針表面涂層沒(méi)有明顯磨損痕跡，涂層無(wú)脫落起皮等影響導(dǎo)電與絕緣性能的缺陷及橡膠件密封處無(wú)磨損。

壽命試驗(yàn)方法：插座、插頭安裝在工裝上，驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)插頭進(jìn)行插拔。

2.3 電性能試驗(yàn)

電連接器插頭電性能試驗(yàn)要求：涂層絕緣測(cè)試不小于20 GΩ@2 500 VDC、耐電壓測(cè)試常溫狀態(tài)下2 500 V絕緣電阻大于20 GΩ；

試驗(yàn)方法：絕緣電阻按照GJB 1217—1991中3003規(guī)定的試驗(yàn)方法對(duì)電連接器進(jìn)行試驗(yàn)，耐電壓按照GJB 1217中3001規(guī)定的試驗(yàn)方法對(duì)電連接器進(jìn)行試驗(yàn)。

2.4 殼體強(qiáng)度試驗(yàn)

殼體強(qiáng)度試驗(yàn)要求：電連接器需在海水下1 500 m工作，即16.5 MPa環(huán)境。要求殼體強(qiáng)度安全系數(shù)不小于2。對(duì)殼體進(jìn)行液壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)介質(zhì)為純凈水，試驗(yàn)壓力為33 MPa，承壓5 min。保壓后，殼體(內(nèi)腔)無(wú)冒汗(內(nèi)腔)、滴漏等現(xiàn)象，試驗(yàn)后殼體無(wú)裂紋等缺陷；

試驗(yàn)方法：電連接器安裝在模擬試驗(yàn)艙內(nèi)，試驗(yàn)艙內(nèi)加注滿(mǎn)純凈水并增壓33 MPa。

2.5 電纜試驗(yàn)

電纜絕緣電阻、耐電壓試驗(yàn)要求：電纜絕緣電阻不小于5 GΩ@2 500 VDC@10M，耐電壓1 000 V。

試驗(yàn)方法：絕緣電阻按照GJB 1217—1991中3003規(guī)定的試驗(yàn)方法對(duì)電連接器進(jìn)行試驗(yàn)，耐電壓按照GJB 1217中3001規(guī)定的試驗(yàn)方法對(duì)電連接器進(jìn)行試驗(yàn)。

2.6 密封性能試驗(yàn)

密封性能測(cè)試要求：外加氦氣壓力16.5 MPa，指標(biāo)要求不大于1.0×10-6Pa·m3/s；

試驗(yàn)方法：使用氦質(zhì)譜撿漏儀進(jìn)行漏率檢驗(yàn)。

2.7 插合力測(cè)試試驗(yàn)

插合力試驗(yàn)要求：插合力不大于600 N；

試驗(yàn)方法：按照GJB 1217—1997中的2013試驗(yàn)方法進(jìn)行。

2.8 電性能試驗(yàn)

電連接器插座電性能測(cè)試要求：接觸電阻不大于5毫歐姆；各相與外殼的絕緣電阻不小于2 GΩ@2 500 VDC；各相之間的絕緣電阻不小于5 GΩ@2 500 VDC；耐壓不小于1 000 VDC；

試驗(yàn)方法：絕緣電阻按照GJB 1217—1991中3003規(guī)定的試驗(yàn)方法對(duì)電連接器進(jìn)行試驗(yàn)，耐電壓按照GJB 1217中3001規(guī)定的試驗(yàn)方法對(duì)電連接器進(jìn)行試驗(yàn)。

2.9 高低溫試驗(yàn)

零件及組件高低溫試驗(yàn)。

高低溫試驗(yàn)要求：高溫+55 ℃試驗(yàn)1 h恢復(fù)常溫后測(cè)試性能滿(mǎn)足要求；低溫-18 ℃，1 h恢復(fù)常溫后測(cè)試性能滿(mǎn)足要求；

試驗(yàn)方法：高溫按照GJB 150.3—1986試驗(yàn)方法進(jìn)行；低溫按照GJB 150.3—1986試驗(yàn)方法進(jìn)行。

高低溫箱設(shè)備信息如下：

試驗(yàn)設(shè)備：THERMOTRON高低溫循環(huán)箱；型號(hào)：HPS-16、SMPLUS-18C；最大設(shè)定值：100 ℃；波動(dòng)值：±0.3 ℃；偏差值：2.7 ℃。

2.10 電連接器插頭組件試驗(yàn)

2.10.1 密封性測(cè)試

密封性測(cè)試要求：漏率不大于1×10-7Pa·m3/s；試驗(yàn)方法：使用氣壓16.5 MPa，使用氦質(zhì)譜撿漏儀進(jìn)行漏率檢驗(yàn)。

2.10.2 電能測(cè)試

電連接器插頭組件電性能測(cè)試要求：各相與外殼的絕緣電阻不小于15 GΩ@2500 VDC耐壓不小于1 000 VDC；試驗(yàn)方法：絕緣電阻按照GJB 1217—1991中3003條規(guī)定的試驗(yàn)方法對(duì)電連接器進(jìn)行試驗(yàn)，耐電壓按照GJB 1217中3001條規(guī)定的試驗(yàn)方法對(duì)電連接器進(jìn)行試驗(yàn)。

2.10.3 高低溫試驗(yàn)

連接器插頭組件高低溫測(cè)試要求：高溫+55 ℃測(cè)試1 h、低溫-18 ℃測(cè)試1 h組件無(wú)破損、形變等異常；試驗(yàn)方法：高溫按照GJB 150.3—1986試驗(yàn)方法進(jìn)行；低溫按照GJB 150.3—1986試驗(yàn)方法進(jìn)行。

2.11 電連接器插座組件帶電纜測(cè)試

電連接器插座組件帶電纜測(cè)試要求：絕緣電阻不小于10 GΩ@2 500 VDC；水下絕緣電阻不小于10 GΩ@2 500 VDC；測(cè)試方法：絕緣電阻按照GJB 1217—1991中規(guī)定的試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)。

2.12 電連接器插頭組件帶電纜測(cè)試

電連接器插頭組件帶電纜測(cè)試要求：絕緣電阻不小于10 GΩ@2 500 VDC；水下絕緣電阻不小于10 GΩ@2 500 VDC；測(cè)試方法：絕緣電阻按照GJB 1217—1991中3003條規(guī)定的試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)。

2.13 試驗(yàn)件性能測(cè)試

在電連接器插座組件和電連接器插頭組件完成規(guī)定測(cè)試項(xiàng)目后，進(jìn)行總裝。產(chǎn)品完成總裝后進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。

2.13.1 干插拔絕緣電阻測(cè)試

干插拔絕緣電阻測(cè)試要求：4芯插座、插頭干插合狀態(tài)下絕緣電阻不小于10 GΩ@2 500 VDC；測(cè)試方法：絕緣電阻按照GJB 1217—1991中3003條規(guī)定的試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)。

2.13.2 濕插拔試驗(yàn)(壽命試驗(yàn))

將產(chǎn)品安裝于水下模擬試驗(yàn)裝置，并加滿(mǎn)水。分別增壓至10 MPa，保持5 min后增壓至16.5 MPa，對(duì)電連接器進(jìn)行了絕緣測(cè)試，要求與未增壓數(shù)據(jù)一致。

2.13.3 壽命試驗(yàn)

壽命試驗(yàn)要求：根據(jù)電連接器性能指標(biāo)要求，在1 500 m水下插拔50次，絕緣性能不降低。試驗(yàn)方法：按照GJB 1217—1997中3003條試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)。

2.13.4 承壓試驗(yàn)

承壓試驗(yàn)要求：根據(jù)技術(shù)協(xié)議的要求，在1 500 m水下進(jìn)行500 h的承壓試驗(yàn)，電連接器無(wú)泄漏、變形、破壞。插合及拔出狀態(tài)分別測(cè)試絕緣電阻不小于10 GΩ@1 500 VDC；試驗(yàn)方法：試驗(yàn)時(shí)將產(chǎn)品安裝于水下模擬試驗(yàn)裝置內(nèi)，注滿(mǎn)水并增壓致16.5 MPa，試驗(yàn)過(guò)程中保持這個(gè)壓力。為了保證試驗(yàn)的連續(xù)性，濕插拔試驗(yàn)、壽命試驗(yàn)和承壓試驗(yàn)是同時(shí)交叉進(jìn)行的，試驗(yàn)一共進(jìn)行21天(500 h)。電連接器性能測(cè)試試驗(yàn)就我國(guó)而言沒(méi)有完善的試驗(yàn)程序，急需完善以促進(jìn)電連接器的研發(fā)。

3 結(jié)語(yǔ)

目前電連接器性能測(cè)試試驗(yàn)沒(méi)有現(xiàn)成的文獻(xiàn)參考。文章基于1 500 m水深電連接器性能試驗(yàn)研究，詳細(xì)介紹了電連接器試驗(yàn)項(xiàng)目、試驗(yàn)方法、性能指標(biāo)要求。該研究對(duì)同類(lèi)產(chǎn)品具有很好的參考價(jià)值。